A valle dei risultati maturati grazie alle precedenti esperienze, è stato possibili concentrarsi sui punti di forza del dispositivo SeaSpoon, scartando gradualmente ciò che risultava essere meno promettente. In particolare, come riportato sopra, è stato necessario riprogettare la tecnologia SeaSpoon con l’intento di diminuire la complessità del dispositivo e minimizzare le fragilità del sistema. A tale scopo è stata ulteriormente testata la configurazione “solo paletta” con un sistema capace di effettuare misurazioni più dettagliate (Figura 46).
Di rilevante interesse è stata la realizzazione di un prototipo in scala capace di poter equipaggiare pale di geometria differente. Questo prototipo è infatti costituito da una navicella chiusa in modo stagno, all’interno della quale sono contenuti tutti i sensori necessari alla rilevazione delle prestazioni di funzionamento di SeaSpoon. Il moto è trasmesso dall’esterno verso l’interno attraverso un giunto magnetico che permette di garantire la condizione di impermeabilità verso i componenti sensibili. Il giunto magnetico è costituito da una campana di teflon con una serie i magneti permanenti sulla calotta della campana stessa. Quest’ultima è contenuta all’interno della navicella e riceve esternamente il moto da un disco di teflon con una serie di magneti sulla circonferenza esterna, al disco
93 è calettato un alberino passante su cui sono calettate le due pale. Di seguito alcune foto (Figura 57 e Figura 58) del prototipo scomposto nei suoi componenti per facilitare la comprensione delle parti del giunto magnetico (in Figura 57, sulla sinistra il disco in teflon e sulla destra la campana).
Figura 57 - Dettaglio del giunto magnetico
Il modello è equipaggiato poi di un encoder, realizzato con tre sensori di Hall che rilevano una terza serie di magneti posizionati lateralmente sulla campana interna, e da due motorini, collegati attraverso pulegge alla campana con i quali si possono effettuare valutazioni su coppie e potenze generate.
Facendo riferimento alla Figura 58 si mostra il modello di SeaSpoon privato dalle pale. Si nota, sulla parte sinistra della foto, il disco in teflon, sul quale verrà flangiata una delle due pale, inserito all’interno della campana sopra descritta.
94 Figura 58 – Navicella centrale del modello di SeaSpoon, senza pale
I profili delle pale selezionati per i test sono stati di vario tipo così da poter confrontare le prestazioni di ciascuna di queste facendo riferimento allo stesso stato di moto ondoso. Ogni pala è stata disegnata su CAD e realizzata grazie ad una stampante 3D, ottenendo così le caratteristiche desiderate. Il materiale usato per la stampa è stato ABS (Acrilonitrile butadiene stirene) caratterizzato da una densità circa paragonabile a quella dell’acqua, in modo tale di avere un peso circo neutro in acqua.
Le pale selezionate sono state una coppia piana, una concava e una convessa. Le dimensioni della singola pala piana sono di circa 17 cm di larghezza e altezza di circa 10 cm. La pala curva invece è stata oggetto di un studio per ottimizzarne la geometria, attraverso un triangolo delle velocità è stato disegnato un profilo in modo tale che il flusso relativo incidente rimanesse sempre circa parallelo. Le sue dimensioni in termini di altezza e corda sono le medesime della pala piana, mentre il raggio di curvatura medio è di circa
16 cm.
Vengono riportati sotto i profili risultanti descritti, in particolare, pala concava e pala convessa avranno la stessa curvatura ma avranno assetto inverso rispetto l’onda incidente.
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Di seguito invece una figura della configurazione del modello SeaSpoon durante i testi in vasca equipaggiato con pale piane (Figura 60).
Figura 60 - Modello SeaSpoon in acqua
Il modello di SeaSpoon descritto è stato testato all’interno della facility in dotazione al gruppo di ricerca TPG sopracitata, ed è stato testato modificando quindi il profilo delle pale, variando lo stato del moto ondoso e modificando la profondità di immersione del sistema. La vasca per le prove è stata appositamente migliorata, rispetto la sua condizione precedente, al fine di svolgere al meglio i test e per simulare in modo riproducibile differenti stati di moto ondoso.
A questo proposito è stata realizzata una matrice delle caratteristiche impiantistiche necessarie a generare determinate onde. Nella foto che segue (Figura 61) la centralina di comando del generatore di onde appositamente sviluppata per questa attività, con in evidenza schede elettroniche, regolatore di pressione ed elettrovalvola.
96 Figura 61 - Dettaglio armadio di controllo del Savona Wave Lab
La campagna di prove è stata quindi condotta con diversi stati di moto ondoso, facendo quindi variare altezza di onda e periodo, cercando in particolare di identificare il valore ottimale di rapporto altezza pala/onda (affinché l’altezza della pala fosse comparabile con il raggio del moto orbitale dell’onda generata). Unitamente a questi test è stata poi valutato il valore di profondità di immersione del modello SeaSpoon ottimale alle sue prestazioni.
Tutte le prove sono state quindi ripetute al variare del profilo palare, in modo tale da poter effettuare dei confronti a partire dalle medesime condizioni al contorno.
In questa sede verranno mostrati i risultati relativi ai test eseguiti generando un profilo di onda avente le seguenti caratteristiche:
• H = altezza massima = 20 cm • T = periodo = 1,15 s
• L = lunghezza onda = 1,9 m • C = celerità = 1,65 m/s
Il prototipo, come detto precedente, è stato equipaggiato al suo interno con un motore elettrico del tipo passo-passo: mediante la regolazione della tensione di alimentazione, è possibile imporre alla pala una determinata coppia resistente, al fine di valutare le prestazioni del prototipo in diversi scenari di carico. Tale regolazione è stata resa possibile dall’utilizzo di PWM (Pulse-width modulation) comandati dal sistema di controllo Arduino. I test sono stati quindi eseguiti imponendo un valore di PWM (e dunque di coppia
97 resistente) costante durante i test e variabile da prova a prova. In questa sede verranno mostrati i risultati relativi alle prove condotte con i seguenti valori:
• 0 PWM = 0,05 Nm (coppia resistente dovuta ad attrito) • -100 PWM = 0,065 Nm
• -200 PWM = 0,08 Nm
Come già accennato, tra le prove effettuate, è stata anche analizzato il comportamento del SeaSpoon equipaggiandolo con profili palari differenti. In questa sede verranno riportati i risultati condotti utilizzando un profilo piano ed uno concavo, aventi dimensioni analoghe (corda = 10,5 cm).
Innanzitutto, è interessante notare la deformazione del profilo dell’onda causato dalla presenza o meno del SeaSpoon. A tale proposito, nel grafico sottostante si riporta il profilo temporale nei due casi.
Figura 62 - Confronto tra i profili d’onda nel caso di presenza di SeaSpoon e nel caso di assenza dello stesso
Come si può notare, a causa della presenza del SeaSpoon all’interno della vasca, la misura eseguita dalla sonda di livello (che è fisicamente posizionata a valle del SeaSpoon) registra un valore leggermente differente (ritardato, nonché un andamento più “sporco”). In un secondo momento la sonda è stata quindi spostata a monte del Seaspoon stesso.
Tale fenomeno può essere considerato prevedibile, tuttavia è importante sottolineare la necessità di valutare con attenzione lo sfasamento che subisce l’onda in presenza del SeaSpoon, al fine di comprendere meglio il rapporto tra la fase dell’onda percepita dal SeaSpoon e la fase del SeaSpoon stesso.
I test hanno evidenziato un comportamento pressoché lineare del SeaSpoon, il quale, allineandosi in fase con l’onda, registra una frequenza di rotazione pari alla frequenza della stessa onda.
98 Nei grafici seguenti viene mostrato il confronto tra le posizioni assunte dalla pala e il livello dell’onda, al variare del tempo e dei PWM (come indicato in legenda). In particolare, sull’asse secondario è riportato il valore sinusoidale dell’angolo del SeaSpoon normalizzato tra 0 e 1, dove 0 coincide con 0° ed è il valore per il quale la pala si trova nella configurazione a massima profondità (ossia verticale rivolta verso il basso) mentre 1 coincide con 180° ed è il valore per il quale la pala si trova nella configurazione a massima elevazione (ossia verticale rivolta verso l’alto).
Figura 63 - Profili di fase SeaSpoon – Onda per diverse coppie resistenti imposte – pala PIANA
Figura 64 - Profili di fase SeaSpoon – Onda per diverse coppie resistenti imposte – pala CURVA
È interessante notare la differenza tra gli andamenti della posizione del SeaSpoon nel caso di pala piana (molto simmetrico) e nel caso di pala curva (sbilanciato verso la seconda parte della rotazione, che avviene molto più rapidamente).
99 Si osserva che la fase del SeaSpoon è leggermente in ritardo rispetto alla fase dell’onda: la massima altezza raggiunta dalla pala non coincide perfettamente con il picco dell’onda. La stessa osservazione estesa alle posizioni corrispondenti alla valle dell’onda evidenzia un comportamento differente a seconda del profilo: nel caso di pala piana, infatti, la minima altezza occupata dalla pala coincide pressoché perfettamente con la valle dell’onda. Nel caso di pala curva, invece, la pala “anticipa” l’onda nel suo punto più basso. Il livello registrato dalla sonda (che si trova fisicamente a valle del SeaSpoon) è stato shiftato alla posizione del prototipo, note la distanza tra essi (1,15 m) e la celerità dell’onda (è stato valutato uno sfasamento temporale pari a 0,69 s tra il livello percepito dal SeaSpoon e l’acquisizione del livello da parte della sonda).
Come già detto, tuttavia, il livello dell’onda registrata dalla sonda nel caso di SeaSpoon immerso è leggermente in ritardo rispetto a quella registrata senza il SeaSpoon. Questo significa che, pur essendo i profili di posizione mostrati assolutamente validi e coerenti, è probabile che la fase dell’onda vista dal SeaSpoon sia leggermente in anticipo rispetto a quella registrata.
Questo si tradurrebbe in un leggero sfasamento in ritardo del SeaSpoon rispetto all’onda, comportamento tra l’altro evidenziato dall’esperienza empirica ottenuta mediante osservazione diretta, ed è tutt’ora un oggetto di approfondimento ed indagine.
Inoltre, come si può notare dai grafici appena riportati, relativi alle prove condotte con pala piana e pala curva, la reazione del SeaSpoon è pressoché indipendente dai diversi livelli di coppia resistente (si nota una leggera crescita dello sfasamento del SeaSpoon al crescere della coppia resistente– tuttavia quasi trascurabile).
La discriminante, come ci si aspettava, è la capacità del SeaSpoon di allinearsi alla fase dell’onda e mettersi in rotazione, capacità maggiore a bassi livelli di coppia resistente, ed inferiore all’aumentare di essa.
Se, ad esempio, imponendo 0 PWM al motore passo-passo il SeaSpoon riesce ad allinearsi alla fase dell’onda e a ruotare pressoché per tutta la durata del test, imponendo -200 PWM (e dunque aumentando la coppia resistente), il SeaSpoon riesce ad allinearsi alla fase dell’onda ed a ruotare solo per determinati periodi.
I grafici seguenti mostrano proprio come il SeaSpoon abbia una differente capacità di mantenersi in fase a seconda della coppia resistente imposta.
Si evidenzia che, dall’analisi eseguita sugli output dei test della durata di qualche minuto, il SeaSpoon equipaggiato con pala curva ha dimostrato una maggiore capacità di mantenersi in fase con l’onda anche al crescere della coppia resistente, rispetto al caso della pala piana.
100 Figura 65 - Perdita di fase SeaSpoon al crescere della coppia resistente – pala PIANA
Figura 66 - Perdita di fase SeaSpoon al crescere della coppia resistente – pala CURVA
Tale comportamento evidenzia la necessità di condurre ulteriori indagini sperimentali imponendo una coppia resistente variabile durante la rotazione: non si esclude che, utilizzando un profilo di carico specifico e funzione della fase del SeaSpoon, si possa mantenere il SeaSpoon sempre in fase con l’onda ottimizzando le performance della macchina ottenendo una potenza media estratta superiore.
L’ultima considerazione necessaria è che il SeaSpoon, durante i test, ha evidenziato un funzionamento ottimale con determinati tipi di onda, non riuscendo però ad allinearsi alla fase di onde aventi periodo maggiore, e registrando un comportamento di “flapping”. Tale comportamento è oggetto di indagine per le prossime campagne sperimentali, che verranno condotte utilizzando profili palari aventi differenti altezze.
101 Le attività descritte finora hanno portato a definire la migliore condizione di lavoro del sistema SeaSpoon. Ciò è stato necessario per affrontare consapevolmente le attività propedeutiche alla realizzazione di un prototipo in scale reale ed un’installazione in mare aperto.
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5 Il WEC innovativo “SeaSpoon”: sperimentazione in mare
Come sottotitolato nel precedente capitolo, la sperimentazione su modelli in scala ha permesso di definire i principali parametri dimensionali necessari alla progettazione di una versione di SeaSpoon in scala reale. Il prototipo di cui si parla è stato realizzato contestualmente ad un progetto regionale POR dal titolo “SeaSpoon, verso la nuova energia del mare 2”.
Il progetto ha avuto come obiettivo la costruzione di un prototipo da 1 kW e la sua sperimentazione in mare aperto. Contestualmente a ciò è stato necessario affrontare i seguenti punti:
• installazione del dispositivo in mare aperto (varo, ormeggio ecc.)
• controllo e monitoraggio del convertitore (posizionamento e regolazione rispetto allo stato di mare, auto-pilotaggio, pilotaggio remoto, stato del generatore)
• studio del generatore in ambiente reale (acquisizione dati durante campagna in mare) La realizzazione del prototipo ha richiesto uno studio approfondito del dispositivo di ormeggio, del sistema di orientamento e dei materiali dei diversi componenti del generatore. Particolare attenzione è stata poi data alla caratterizzazione delle parti esposte alle maggiori sollecitazioni (pale) e delle parti rotanti che maggiormente degradano per effetti corrosivi e vegetativi. Il tutto è stato poi arricchito da una precisa architettura di tele- controllo e monitoraggio finalizzata a gestire i principali sensori e attuatori con cui il SeaSpoon è stato attrezzato.